Incarcare electrica

Balanța de torsiune Coulomb utilizată pentru a măsura forța dintre sarcinile electrice.

Sarcina electrică este un tip de sarcină fizică , scalară și semnată , responsabilă pentru una dintre interacțiunile fundamentale ale materiei , interacțiunea electromagnetică și sursa câmpului electromagnetic . În sistemul internațional de unități , unitatea de încărcare electrică este coulombul ( ${C}$ ${\ displaystyle {C}}$ ${\ displaystyle {C}}$ ) ^[1] .

Este o magnitudine cuantificată, care există numai cu valori multiple ale unei mărimi elementare care corespunde sarcinii protonului și, schimbată în semn, cu cea a „ electronului ”. Sarcina elementară , indicată cu $Și$ ${\ displaystyle e}$ $Și$ , stabilit inițial de Robert Andrews Millikan între 1910 și 1917, a fost stabilit exact de sistemul internațional în 2019 ^[2] în:

e=1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}\ \mathrm {C} ={\frac {1\ \mathrm {C} }{6{,}241\,509\,074...\cdot 10^{18}}}

{\ displaystyle e = 1 {,} 602 \, 176 \, 634 \ cdot 10 ^ {- 19} \ \ mathrm {C} = {\ frac {1 \ \ mathrm {C}} {6 {,} 241 \ , 509 \, 074 ... \ cdot 10 ^ {18}}}}

{\ displaystyle e = 1 {,} 602 \, 176 \, 634 \ cdot 10 ^ {- 19} \ \ mathrm {C} = {\ frac {1 \ \ mathrm {C}} {6 {,} 241 \ , 509 \, 074 ... \ cdot 10 ^ {18}}}}

Cuantificarea sarcinii electrice

Câmp electric indus de o încărcare pozitivă.

Câmp electric indus de o sarcină negativă.

Dacă nu sunt luați în considerare quarcurile , nu a fost descoperit niciun obiect care să aibă o sarcină mai mică decât cea a electronului și din acest motiv valoarea sa este considerată unitatea fundamentală de încărcare electrică, deoarece toate cantitățile de sarcină sunt multiplii săi. Conform modelului standard , însă, cele mai mici sarcini sunt ± e / 3 și ± 2 e / 3, tipice, de exemplu, cuarcul descendent și respectiv cuarcul sus . Ceilalți quark, cu masă mai mare, au, de asemenea, aceleași sarcini.

Deși quark - urile poartă o încărcare electrică, datorită intensității mari a forței nucleare puternice care le ține împreună, observarea unui quark liber necesită o energie extrem de mare, care a fost doar recent la îndemâna acceleratorilor de particule. Se crede că este posibil să aveți o plasmă de quarks și gluoni liberi la aproximativ 150 GeV , sau cam așa ceva 1 × 10 ¹² K ; fizicienii încearcă să realizeze acest lucru prin ciocnirea nucleelor grele, cum ar fi aurul , la energii de aproximativ 100 GeV per nucleon .

Electronul

Același subiect în detaliu: Electron .

Electronul este o particulă subatomică care are o masă de repaus de 9.1093826 (16) × 10 ⁻³¹ kg , egal cu aproximativ 1/1836 din cel al protonului . Momentul unghiular intrinsec, sau spin , este o valoare semi-întreagă egală cu 1/2 în unități de ħ , ceea ce face ca electronul să fie fermion , prin urmare supus principiului excluderii Pauli . Antiparticula electronului este pozitronul , care diferă doar pentru sarcina electrică de semn opus; atunci când aceste două particule se ciocnesc, ele pot fi atât difuzate, cât și anihilate, producând fotoni , mai exact raze gamma .

Ideea unei cantități fundamentale de sarcină electrică a fost introdusă de filosoful Richard Laming în 1838 pentru a explica proprietățile chimice ale atomului ; ^[3] termenul electron a fost inventat ulterior în 1894 de fizicianul irlandez George Johnstone Stoney și a fost recunoscut ca o particulă de Joseph John Thomson și echipa sa de cercetare. ^[4] ^[5] Ulterior, fiul său George Paget Thomson a demonstrat natura dublă corpusculară și de undă a electronului, care este apoi descrisă de mecanica cuantică prin intermediul dualismului undă-particulă .

Electronii, alături de protoni și neutroni , sunt părți ale structurii atomilor și, deși contribuie cu mai puțin de 0,06% la masa totală a atomului, sunt responsabili pentru proprietățile sale chimice ; în special, împărțirea electronilor între doi sau mai mulți atomi este sursa legăturii chimice covalente . ^[6]

Majoritatea electronilor prezenți în univers au fost creați în timpul Big Bang-ului , deși această particulă poate fi generată prin dezintegrarea beta a izotopilor radioactivi și în coliziuni cu energie mare, în timp ce poate fi anihilată datorită coliziunii cu pozitronul și absorbită în un proces de nucleosinteză stelară .

În multe fenomene fizice, în special în electromagnetism și fizica în stare solidă , electronul joacă un rol esențial: este responsabil pentru conducerea curentului electric și a căldurii , mișcarea acestuia generează câmpul magnetic și variația energiei sale este responsabilă pentru producerea fotonilor .

Apariția „ electronicului ”, din care s-a născut computerul , pune electronul la baza dezvoltării tehnologice a secolului al XX-lea . Proprietățile sale sunt, de asemenea, exploatate în diverse aplicații, cum ar fi tuburi catodice , microscopuri electronice , radioterapie și lasere .

De asemenea, electronul aparține clasei de particule subatomice numite leptoni , despre care se crede că sunt componente fundamentale ale materiei (adică nu pot fi descompuse în particule mai mici).

Conservarea sarcinii electrice

Același subiect în detaliu: Legea conservării sarcinii electrice și ecuația de continuitate .

Încărcarea electrică este o cantitate fizică conservatoare, adică sarcina electrică totală a unui sistem fizic izolat rămâne constantă. Aceasta este o lege fundamentală a naturii experimentale, deoarece nu a fost niciodată încălcată. O altă presupunere este că conservarea este locală, adică se susține teorema lui Noether (vezi și legea conservării ). Se afirmă că schimbarea densității de încărcare spațială $\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ într-un singur volum $V.$ ${\ displaystyle V}$ $V.$ se datorează exclusiv aceleia care traversează suprafața de frontieră a volumului menționat fiind în mișcare. Ecuația de continuitate pentru sarcina electrică este deci ecuația diferențială : ^[7]

\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {J} +{\frac {\mathrm {d} \rho }{\mathrm {d} t}}=0

{\ displaystyle \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {J} + {\ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t}} = 0}

{\ displaystyle \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {J} + {\ frac {\ mathrm {d} \ rho} {\ mathrm {d} t}} = 0}

unde este $\mathbf {J}$ ${\ displaystyle \ mathbf {J}}$ $\ mathbf J$ este densitatea curentului e $\rho$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ densitatea sarcinii.

Folosind teorema divergenței obținem forma integrală:

I=\int _{S}\mathbf {J} \cdot \operatorname {d} \!\mathbf {a} =-{\frac {\partial }{\partial t}}\int _{V}\rho \operatorname {d} \!V

{\ displaystyle I = \ int _ {S} \ mathbf {J} \ cdot \ operatorname {d} \! \ mathbf {a} = - {\ frac {\ partial} {\ partial t}} \ int _ {V } \ rho \ operatorname {d} \! V}

{\ displaystyle I = \ int _ {S} \ mathbf {J} \ cdot \ operatorname {d} \! \ mathbf {a} = - {\ frac {\ partial} {\ partial t}} \ int _ {V } \ rho \ operatorname {d} \! V}

unde este $THE$ ${\ displaystyle I}$ $THE$ este curentul electric .

Ecuația de continuitate este considerată în ecuațiile lui Maxwell pentru a corecta legea lui Ampère prin extinderea valabilității sale la cazul non-staționar. De fapt, aplicarea operatorului de divergență la al patrulea (cu corecția lui Maxwell):

\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {\nabla } \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {J} +\varepsilon _{0}\mu _{0}{\frac {\partial \mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {E} }{\partial t}}

{\ displaystyle \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {\ nabla} \ times \ mathbf {B} = \ mu _ {0} \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {J} + \ varepsilon _ {0 } \ mu _ {0} {\ frac {\ partial \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {E}} {\ partial t}}}

{\ mathbf \ nabla} \ cdot {\ mathbf \ nabla} \ times {\ mathbf B} = \ mu _ {0} {\ mathbf \ nabla} \ cdot {\ mathbf J} + \ varepsilon _ {0} \ mu _ {0} {\ frac {\ partial {\ mathbf \ nabla} \ cdot {\ mathbf E}} {\ partial t}}

și înlocuind primul din interiorul acestuia:

\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}

{\ displaystyle \ mathbf {\ nabla} \ cdot \ mathbf {E} = {\ frac {\ rho} {\ varepsilon _ {0}}}}

\ mathbf \ nabla \ cdot \ mathbf E = \ frac {\ rho} {\ varepsilon_0}

se obține ecuația de continuitate.

Notatie relativista

Același subiect în detaliu: Quadricurrent .

Ecuația de continuitate poate fi scrisă într-un mod foarte simplu și compact folosind notația relativistă . În acest context, este definită densitatea de curent cu patru vectori , a cărei componentă de timp este densitatea de sarcină, iar componenta spațială este vectorul de densitate de curent: